Elektrische Wechselstrom-Synchronmaschine. Die Erfindung bezieht sich auf eine elek trische Wechselstrom-Synchronmaschine, die sowohl als Elektromotor, als auch als Strom erzeuger verwendet werden kann. Mit einer derartigen Synchronmaschine ist die Er reichung von kleinen Drehzahlen ohne Ver wendung von Übersetzungsgetrieben mit klei neren Polzahlen möglich, als bei den bekann ten Wechselstrom-Synchronmaschinen.
Bei den bekannten Wechselstrom-Syn chronmaschinen stehen die synchronen Dreh zahlen immer in einer einfachen Beziehung zu der Frequenz des Antriebswechselstromes. Soll beispielsweise bei Synchronmotoren eine kleine synchrone Drehzahl erreicht werden, so muss die Zahl der Pole entsprechend grösser gewählt werden. Ebenso muss bei Wechsel stromerzeugern die Polzahl für eine gegebene Frequenz eine grosse sein, wenn man nur eine geringe Antriebsdrehzahl verwenden will. Durch die grossen Polzahlen nehmen die Ma schinen naturgemäss einen sehr grossen Raum ein, was entsprechend hohe Kosten bedingt.
Da es der Motor gemäss der Erfindung er möglicht, synchrone Drehzahlen sehr kleiner Grösse zu erreichen, ist er beispielsweise für den Antrieb elektrischer Uhren, Fernseh- und Bildtelegraphiegeräte, Sprechmaschinen und dergleichen geeignet. Stator und Rotor des Motors sind mit je in gleichen Abständen an geordneten Polen versehen, wobei die Pol bögen des Stators und des Rotors ungefähr gleich sind.
Die Erfindung besteht darin, dass die Polzahlen der beiden Polgruppen ungleich sind und keine derselben ein ganzes Viel faches der andern bildet, dass die Spulen zum Erregen der Pole so geschaltet sind, dass in den betreffenden Polen gleichzeitig die Höchstfeldstärke entsteht und dass die Pol zahlen und Polbögen derart ausgewählt sind, dass bei der Drehung des Rotors gegenüber dem Stator Schwankungen der Summe der gesamten in Eingriff stehenden Polflächen stattfinden.
Beispielsweise kann bei der Ausgestal tung der Maschine als Motor ein elfpoliger Stator und ein neunpoliger Rotor vorgesehen sein. Das kleinste gemeinsame Vielfache die ser beiden Polzahlen ist 9'9. Dementsprechend findet ein Zusammenfallen zwischen einem Statur- und einem Rotorpol nach jeder 1/99 Umdrehung statt, und die synchrone Mindest drehzahl des Rotors beträgt dementsprechend ,/a3 der Frequenz der elektrischen Antriebs impulse.
In der Zeichnung ist die Erfindung bei spielsweise schematisch veranschaulicht, und zwar zeigt: Fig. 1A einen Längsschnitt eines ein fachen Motors nach der Erfindung, Fig. 1B eine Stirnansicht desselben bei abgenommener Endplatte, Fig. 2 eine Stirnansicht einer weiteren Ausführungsform eines Motors nach der Er- findung, Fig. 3 einen Längsschnitt eines Motors mit Doppelrotor, Fig. 4A einen Längsschnitt eines nicht.
homopolaren Motors, Fig. 4B eine Stirnansicht des Motors nach Fig. 4A bei abgenommener Endplatte, Fig. 5A eine Kurve, die den Verlauf der magnetischen Impulse eines solchen Motors bei Antrieb durch einen Wechselstrom ver anschaulicht, Fig. 5B die Verwendung kombinierten Wechsel- und Gleichstromes, Fig. 6 eine Ausführungsform des Erfin dungsgegenstandes mit unterteilten Stator polen, Fig. 7A einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform, und Fig. 7B eine Stirnansicht derselben mit abgenommener Endplatte.
In Fig. 1A und 1B ist ein Statur 1 aus magnetischem Werkstoff, wie Eisen, mit zwei Endplatten 2 und 3 versehen, in denen die Lager für den Rotor .5 angebracht sind. Die Rotorwelle 10 wird durch die fest stehende Spule -4 umschlossen, welche die ge meinsame Erregerwicklung für alle Pole dar stellt, so dass alle Pole gleichzeitig auf Höchstfeldstärke erregt werden. Der Statur 1 ist mit vier Polen a, b, c und d und der Rotor 5 mit drei Polen x, y und z versehen. Der Motor ist als Homopolarmotor ausgebildet, so dass alle Pole des Stators unter sich die gleiche Polarität und alle Pole des Rotors die entgegengesetzte Polarität besitzen.
Wenn der Rotor im Sinne des Uhrzeigers mit seiner kleinsten möglichen synchronen Drehzahl umläuft, befindet sich bei Eintreffen eines elektrischen Impulses ein Pol x des Rotors gegenüber einem Pol a des Stators. Bei dem nächsten Impuls wird der Pol z des Rotors mit dem Pol d des Stators zusammenfallen. Da die Winkelversetzung der Pole des Stators <B>90',</B> die der Pole des Rotors 120' beträgt, hat,der Winkel, durch den der Rotor sich in dem Zeitraum zwischen den genannten bei den Impulsen gedreht hat, eine Grösse von <B>30'.</B> Infolgedessen sind 12 Impulse für eine Umdrehung des Rotors erforderlich.
Bei der Drehung des Motors treten Schwankungen der Summe der gesamten in Eingriff stehenden Polflächen auf Grund der kleinen Spalte ein, die in der in Fig. 1B dar gestellten Lage zwischen den benachbarten Kanten der Pole<I>d</I> und z einerseits und<I>b</I> und y anderseits vorhanden sind.
Grundsätzlich beträgt die synchrone Mindestdrehzahl eines Rotors mit Pi-Polen <B>0</B> gegenüber einem Statur mit P@z-Polen
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wobei<B>8.</B> die synchrone Mindestdrehzahl in Umdrehungen pro Sekunde, F die Zahl der Impulse pro ;Sekunde und 31 das kleinste ge meinschaftliche Vielfache der Zahlen Pi und P2 ist.
Bei Eintreffen eines jeden Impulses muss ein Zusammentreffen zwischen einem Statar und einem Rotorpol stattfinden. Es ist er sichtlich, dass die Drehzahl Sm die kleinste Drehzahl ist, bei der diese Bedingung erfüllt wird. Es sind jedoch auch noch andere syn chrone Drehzahlen vorhanden, die Vielfache der Drehzahl Sm darstellen, :die synchrone Drehzahl S ist daher allgemein durch fol gende Formel gegeben:
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Hierin ist A eine ganze Zahl, die von der Zahl der Polübereinstimmungen abhängt, die zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen übersprungen werden. Wenn daher ein Impuls auf jede Polübereinstimmung ankommt, ist A = 1; wenn eine Übereinstimmung über sprungen wird, A = ;2 usw.
Es wind bemerkt, dass, wo in der Beschrei bung das Wort "Übereinstimmung" für die Kennzeichnung der Beziehungen zwischen Stator- und Rotorpolen verwendet wird, nicht wörtlich genaue Übereinstimmung gemeint ist. Wenn der Rotor synchron unter Be lastung läuft, wird eine genaue Überein stimmung immer etwas nach Eintreffen der Impulse stattfinden.
Die Polanordnung nach Fig. 2 ist für Sprechmaschinenantrieb mit 50periodigem Wechselstrom .geeignet. Die normale Dreh zahl von Schallplatten beträgt ungefähr 78 pro Minute, und ein 50periodiger Wechsel strom ergibt 6000 Impulse pro Minute. Die synchrone Mindestdrehzahl des Rotors ist .da her
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das heisst Umdrehungen
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pro Minute. Wie ersichtlich, wird also die Vorrichtung nach Fig. 2 annähernd die ge wünschte Drehzahl für eine Sprechmaschine ohne die Verwendung von Übersetzungsge trieben ergeben.
Wenn ein normaler Syn chronmotor mit gleichen Polzahlen in Stator und Rotor verwendet würde, so müssten zur Erreichung einer derart geringen Drehzahl ohne Wechselgetriebe ungefähr 154 Pole ver wendet werden, während bei der Vorrichtung nach Fig. 2 nur 18 Pole erforderlich sind.
Die Anordnung nach Fig. 1 ist derart, dass sich die wirksamen Pole bei 7 befinden, während bei,6 kein PoI vorhanden ist. Eine andere Ausführungsform, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, besitzt jedoch Pole an beiden Enden des Rotors. Bei dieser Ausführung ist jedes Ende des Rotors mit drei Polen ver sehen, jedoch sind die beiden Enden um 60 zueinander versetzt. Die synchrone Dreh zahl des Motors ist genau die gleiche wie bei der Einrichtung nach Fig. 1. Der zweite Satz von Statorpolen kann zeit denn ersten Satz übereinstimmen, oder, wenn gewünscht, auch im Winkel zu jenem versetzt sein.
In Fig. 4A und Fig. 4B ist eine Ausfüh rung eines nicht homopolaren Motors veran schaulicht, der jedoch die gleiche synchrone Drehzahl wie der Motor nach Fig. 1 besitzt. Jeder der Statorpole ist mit einer gesonder ten Erregerspule 4 versehen, und die einzel nen Spulen sind derart zusammengeschaltet, dass gegenüberliegende Pole entgegengesetzte Polarität besitzen. Infolgedessen werden bei jedem Impulse zwei Pole,des Stators mit zwei Polen des Rotors zusammenwirken. Der Rotor kann daher als Äquivalent des Rotors nach Fig. 3 betrachtet werden.
Bei dem nächsten Impulse werden die andern beiden Pole des Stators mit zwei andern Polen des Rotors zusammenwirken. Die Spulen 4 liegen alle in dem gleichen Stromkreis, so dass sie sämtlich durch die Wechselstromimpulse die Stator pole alle gleichzeitig auf Höchstfeldstärke erregen.
Die beschriebenen Motoren werden durch magnetische Impulse angetrieben, die durch die aufgedrückten elektrischen Impulse er zeugt werden. In Fig. 5A ist die Stärke dieser magnetischen Impulse mit ausgezogenen Linien längs einer Zeitachse dargestellt. Die die magnetischen Impulse hervorrufenden Wechselströme sind durch die gestrichelten Linien gegeben. Aus diesen Kurven ist er sichtlich, dass die Frequenz der magnetischen Impulse das Doppelte der Frequenz des Wechselstromes beträgt.
Es ist jedoch mög lich, bei der Verwendung von Wechselstrom Frequenzgleichheit zwischen den: magne tischen Impulsen und den Wechselströmen zu erreichen, und zwar dadurch, dass die Spule des Motors nach Fig. .1 mit Wechselstrom: und Gleichstrom gespeist wird, wie dies in Fig. 5B veranschaulicht ist.
Dort entspricht .der Ab stand zwischen den Linien ,8 und 9 der Stärke des Gleichstromes und die Sinuslinie der Stärke sowohl der elektrischen Wechsel ströme, als auch der magnetischen Impulse längs einer Zeitachse. Unter ,den angegebenen Bedingungen sind die resultierenden magne tischen Impulse stets einseitig gerichtet; es kann auch ein kleinerer Gleichstromwert als der durch den Abstand der Linien 8 und 9 gegebene verwendet werden, wenn der Wert jedoch wesentlich kleiner ist, fangen die Im pulse an, dem in Fig. 5A dargestellten Ver lauf zu folgen.
Wie ersichtlich, übt bei den beschriebenen Motoren jeder Pol einer jeden. Gruppe bei der synchronen Mindestdrehzahl auf jeden Pol der andern Gruppe ein Höchstantriebsdreh moment auf Grund eines oder mehrerer der elektrischen Impulse während jeder Um drehung, und ein verringertes oder ein zu vernachlässigendes Antriebsdrehmoment auf Grund der übrigen genannten Impulse aus, wenn der Motor mit synchroner Drehzahl läuft.
Beispielsweise wirken bei dem Mo tor nach Fig. 1B die Pole a und x unter Ausübung eines Höchstdrehmomentes zu sammen, wenn ein Impuls in der dar gestellten Lage des Rotors aufgedrückt wird. Die Pole d und z einerseits und b und y anderseits üben verringerte Drehmomente in entgegengesetzten Richtungen aus und der Pol c ein zu vernachlässigendes Drehmoment.
Nachdem der Rotor sich um 30 gedreht hat, wird ein zweiter Impuls aufgedrückt, so dass dann ein Höchstdrehmoment zwischen .den Polen d und z auftritt. Ein verringertes Dreh moment in entgegengesetzten Richtungen er gibt sich zwischen den Polen a und<I>x</I> einer seits und y und c anderseits, sowie ein zu vernachlässigendes D'rehmomen't am Pol b und so fort. Auf diese Weise übt bei einer Umdrehung jeder Statorpol ein.
Höchstdreh moment, . ein verringertes Drehmoment und ein zu vernachlässigendes Drehmoment drei mal aus, und die Rotorpole durchlaufen den gleichen Kreislauf viermal. Wie ersichtlich, ist der Winkel, um den der Rotor durch auf einanderfolgende Impulse gedreht wird, bei der kleinsten synchronen Drehzahl kleiner als der Winkelabstand zwischen benachbar ten Polen, von denen der eine der einen Pol gruppe und der andere der andern Polgruppe angehört.
Wenn der Motor von selbst anlaufen soll, können Hilfspole oder eine gleichwertige An- ordnung verwendet werden. Fig. 6 zeigt die Vorrichtung nach Fig. 1 mit unterteilten Statorpolen. Auf jedem Pol ist eine in sich kurzgeschlossene Spule 1.1 vorgesehen. Auch hier besitzen die Statorpole, wie aus der Zeichnung ersichtlich, den gleichen Polbogen wie die Rotorpole. Es ist nicht erforderlich, dass alle Pole des Stators unterteilt sind, da in vielen Fällen nur ein oder zwei Pole in der angegebenen Weise zur Erzielung eines Selbstanlaufes vorgesehen zu sein brauchen. Wenn ein Selbstanlauf erzielt werden soll, kann der Rotor mit einer Käfigwicklung ähnlich .den gewöhnlichen Wechselstromin duktionsmotoren versehen sein.
Eine weitere Möglichkeit zur Durchführung des Selbst anlaufes besteht in der Anwendung kleiner Zwischenpole, deren jeder mit einer Wicklung versehen ist, die in Reihe mit einem Wider stand, einer Kapazität, oder einer Induktanz über die Motorklemmen geschaltet ist. Die in Reihe liegende Impedanz ergibt in bekannter Weise eine Phasenverschiebung des Stromes in der Wicklung des Zwischenpols.
Einfache Motore nach Art der bereits be schriebenen mit nur zwei Gruppen zusam-. menwirkender Pole Pi und P2 besitzen, wie bereits ausgeführt, eine synchrone Drehzahl, die gleich der Frequenz der Impulse, geteilt durch ,das kleinste gemeinschaftliche Viel fache M von Pi und P2 ist. Es ist zu beach ten, dass diese Drehzahlen genau synchron sind und von :der Frequenz der Impulse ab hängen, jedoch ist es zur Erzielung eines.
Gleichlaufes erforderlich, dass der Winkel des Polbogens derart gewählt ist, dass eine Ände rung der wirkenden Polflächen bei der Dre hung des Rotors gegenüber dem Stator ein tritt. Beispielsweise kann bei. dem Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. ,1 ,der Polbogen 45 betragen.
Im Falle eines Motors mit vier- poligem Rotor und zugehörigem fünfpoligem Stator darf jedoch -der Polbogen nicht 36 betragen, da in .diesem Falle keine Verände rung der wirkenden Polfläche und dement sprechend kein genauer Gleichlauf eintritt; ein genauer Gleichlauf kann jedoch durch Verwendung eines Polbogens von '45 er- zielt werden. Der Polbogen .des Stators muss gleich dem Polbogen des Rotors sein, um genauen Gleichlauf zu erreichen.
Der einfache Motor nach Fig. 1 kann in einen Motor mit Zwischenrotor nach Fig. 7A und 7B umgewandelt werden, bei dem der dreipolige Rotor 5 mit vier Polen eines Zwi schenrotors zusammenarbeitet. Der Zwischen rotor ist mit einer zweiten Gruppe von fünf Polen versehen, die mit sieben Polen des Sta- tors 1 zusammenwirken.
Die Wirkungsweise des Motors ist fol gende: Aus der obigen Formel (2) ergibt sieh, dass die synchrone Drehzahl des Zwischenrotors gegenüber dem Stator 1 ausgedrückt werden kann durch
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Ähnlich sind die synchronen Drehzahlen des Rotors 5 gegenüber dem Zwischenrotor 12 durch die Formel
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gegeben, wobei S1, A1 und M1 die gleiche Be deutung für das System Rotor-Zwischenrotor haben, wie S, A und M für das System Zwischenrotor-Stator.
Alle synchronen Drehzahlen des Rotors 5 gegenüber .dem Stator 1 sind daher
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Die synchrone Mindestdrehzahl des Ro tors ergibt sich, wenn AM1 - A1 M = 1 ist. Es wird immer einige Werte der ganzen Zahlen A und A1 geben, die eine Differenz zwischen A X M1 und Al X M hervorrufen, vorausgesetzt, dass M und M1 keinen gemein samen Faktor besitzen. Wo ein gemeinsamer Faktor f bei M und Ni vorhanden ist, wird die synchrone Mindestdrehzahl sein
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In der Praxis wird es im allgemeinen zweckmässig sein, den Rotor mit seiner syn chronen Mindestdrehzahl gegenüber dem Zwischenrotor laufen zu lassen, so dass<B>Al</B> im allgemeinen gleich 1 ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
7 A und 7B ist M = ä X 4 und Ml = 5 X 7, so dass sich eine synchrone Mindestdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator von
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er gibt. Wenn A1=1 und A=3 ist, wird daher für jeden Impuls eine Übereinstimmung der. Rotor- und Zwischenrotorpole und drei Über einstimmungen der Zwischenrotor- und Stator pole auf jeden Impuls stattfinden.
Wenn der Motor durch Anordnung von Hilfspolen oder dergleichen derart ausgebildet ist, dass der Zwischenrotor im Sinne des Uhrzeigers gegenüber dem Stator und der Rotor entgegen dem Sinne des Uhrzeigers gegenüber dem Zwischenroter umläuft, wird die (#eschwin- digkeit des ersteren
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und die des letzteren
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sein. In diesem Falle wird daher der Rotor mit einer Geschwindigkeit von
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im Sinne des Uhrzeigers gegenüber dem Stator umlaufen.
Die Maschine kann so ausgebildet sein, dass die Luftspalte zwischen Stator und Zwischenrotor einerseits und zwischen Zwischenrotor und Rotor anderseits in Reihe hintereinander in dem magnetischen Kreise liegen.
Es ist erforderlich, den Zwischenrotor mit einem solchen Beharrungsvermögen auszu bilden, :dass seine kinetische Energie bei sei ner Drehung mit .der richtigen Geschwindig keit von der Grössenordnung ' des Dreh momentes des Motors ist. Es ist auch er forderlich, dass das Beharrungsvermögen des Rotors 5 und seiner Belastung derart sind, dass .die kombinierten kinetischen Energien gleichfalls von der Grössenordnung des Dreh momentes des Motors sind.
Wenn der Rotor ein ausreichend kleines Beharrungsvermögen besitzt und auch , die weiteren Verhältnisse derart sind, dass beim Anlassen der Rotor bestrebt ist, sich in der gleichen Richtung gegenüber dem Zwischen rotor zu drehen, wie der Zwischenrotor gegen- über dem Stator, so ergibt sich eine synchrone Mindestdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator von
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Wenn die Polzahlen des Motors nach Fig. 7 .die gleichen bleiben, jedoch ihre An ordnung geändert wird, so werden andere Drehzahlen erzeugt.
Wenn beispielsweise ein siebenpoliger Stator mit vier Polen des Zwischenrotors, und fünf Pole des Zwischen rotors mit drei Polen des Rotors zusammen wirken, ergeben sich vollkommen unter schiedliche Drehzahlen. Wenn er Zwischen rotor auf. Grund des Selbstanlaufes bestrebt ist, sich im Sinne des Uhrzeigers, und der Rotor aus dem gleichen Grunde bestrebt ist, sich entgegen dem Sinne des Uhrzeigers zu drehen, dann erhält nämlich der Zwischen rotor eine Drehzahl, die gleich
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und der Rotor eine Drehzahl, die gleich
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ist. In diesem Falle ist A gleich 2, der Rotor würde sich .daher gegenüber dem Stator im Sinne des Uhrzeigers mit einer Drehzahl von
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drehen.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit .der Vorrichtung nach Fig. 7 besteht in einem fünfpoligen Stator, der mit vier Polen des Zwischenrotors zusammenwirkt und sieben Polen des Zwischenrotors, die mit drei Polen des Rotors zusammenarbeiten. Wenn sich in diesem Falle der Zwischenrotor im Sinne des Uhrzeigers und der Rotor entgegen dem Sinne des Uhrzeigers auf Grund ihrer Anlaufanord nungen, beispielsweise der Hilfspole, drehen, so ist die Drehzahl des Zwiscbenrotars
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und die Drehzahl des Rotors
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in .diesem Falle ist<B>A</B> = 1 und die Rotor. drehzahl gegenüber dem. Stator gleich im Sinne des Uhrzeigers.
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Ausser den beschriebenen sind auch zahl- reiche andere Motoren mit Zwischenrotor möglich. Auf diese Weise lassen sich durch geeignete Ausgestaltung ausserordentlich viel verschiedene Drehzahlen erzielen. Wie er sichtlich, ist es zur Erzielung einer möglichst niedrigen synchronen Drehzahl mit einer ver hältnismässig kleinen Polzahl erforderlich, die Anordnung so zu treffen, dass die Drehrich tung des Rotors gegenüber dem Zwischen rotor entgegengesetzt der Drehrichtung des Zwischenrotors gegenüber dem Stator ist.
Die beschriebenen Maschinen können auch als Erzeuger elektrischer Impulse oder elek trischer Wechselströme verwendet werden. Wenn beispielsweise die Spule des Motors nach Fig. 1 mit Gleichstrom gespeist und der Rotor angetrieben wird, so entsteht in der Spule ein Wechselstrom, der von der Gleich stromkomponente in beliebiger bekannter Weise getrennt werden kann. Auch kann die Spule 4 aus zwei Teilen bestehen, deren einer mit Gleichstrom gespeist wird, während dem andern der erzeugte Wechselstrom ent nommen wird. Eine weitere Möglichkeit be steht darin, die Welle 10 des Rotors oder irgend einen andern Teil des magnetischen Kreises als permanenten Magneten auszu bilden, .der Wechselstrom wird alsdann in der Spule 4 erzeugt.
Ein permanenter Magnet kann auch bei einem wechselstromgetriebenen Motor an Stelle der Gleichstromkomponente verwendet werden, um die in Fig. 5-B dargestellte Wir kung zu erzielen. Die mit Zwischenrotoren arbeitenden Motoren können auch als Wech selstromerzeuger durch alleinigen Antrieb des Rotors verwendet werden.
In diesem Falle werden die ,Selbstanlaufmittel für den Zwi schenrotor derart angeordnet, dass der Zwi schenrotor bestrebt ist, sich in bestimmter Richtung gegenüber dem Rotor zu drehen und in gleicher oder entgegengesetzter Rich- tung gegenüber dem Stator; die geeigneten Geschwindigkeiten werden hierbei so ge wählt, dass die gewünschte Frequenz erzeugt wird.
Wechselstromerzeuger der beschriebenen Art sind von besonderem Wert. Beispiels- weise war es bisher, wenn eine Antriebskraft nur bei geringer Geschwindigkeit zur Ver fügung stand, erforderlich, einen Generator mit grosser Polzahl oder Übersetzungsgetrie ben zu verwenden, um die gewünschte Fre quenz zu erzielen. Nun kann eine Antriebs welle, die 200 Umdrehungen pro Minute aus führt, zur Erzeugung von 50-periodigem Wechselstrom mit einem Rotor mit fünf Polen verbunden werden, der in einem Statur mit sechs Polen läuft, während bei den be kannten Anordnungen 30 Pole erforderlich sind.
Für die Erzeugung von hochfrequenten Wechselströmen, wie sie beispielsweise für Versuchszwecke und für drahtlose Übertra gungen erforderlich sind, sind die beschrie benen Stromerzeuger ebenfalls geeignet.
Die Maschine kann auch mit mehreren Zwischenrotoren ausgeführt werden.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbei spielen sind die Polzahlen der beiden Pol gruppen ungleich und keine derselben bildet ein ganzes Vielfaches der andern. Weiterhin sind bei sämtlichen Ausführungsformen die Spulen, welche die Pole .des Stators, Rotors oder beider durch elektrische Impulse erregen, so geschaltet, dass in den betreffenden Polen gleichzeitig die Höchstfeldstärke entsteht, und die Polzahlen und Polbögen sind derart ausgewählt, dass bei der Drehung des Rotors gegenüber dem Statur Schwankungen der Summe der gesamten in Eingriff stehenden Polflächen stattfinden.
Electric alternating current synchronous machine. The invention relates to an electric alternating current synchronous machine that can be used both as an electric motor and as a power generator. With such a synchronous machine it is possible to achieve low speeds without the use of transmission gears with smaller numbers of poles than in the known AC synchronous machines.
In the known AC Syn chronmaschinen the synchronous speeds are always in a simple relationship to the frequency of the drive alternating current. If, for example, a small synchronous speed is to be achieved with synchronous motors, the number of poles must be selected correspondingly larger. In the case of alternating current generators, the number of poles for a given frequency must also be large if only a low drive speed is to be used. Due to the large number of poles, the machines naturally take up a very large amount of space, which results in correspondingly high costs.
Since the motor according to the invention allows it to achieve synchronous speeds of very small size, it is suitable, for example, for driving electrical clocks, television and video telegraph devices, speaking machines and the like. The stator and rotor of the motor are each provided with equally spaced poles, the pole arcs of the stator and the rotor being approximately the same.
The invention consists in the fact that the number of poles of the two pole groups are unequal and none of them forms a whole multiple of the others, that the coils for exciting the poles are connected in such a way that the maximum field strength arises in the relevant poles at the same time and that the poles count and Pole arcs are selected in such a way that when the rotor rotates with respect to the stator, fluctuations in the sum of the total engaged pole faces take place.
For example, an eleven-pole stator and a nine-pole rotor can be provided as the motor in the configuration of the machine. The smallest common multiple of these two numbers of poles is 9'9. Correspondingly, a stator pole and a rotor pole coincide after every 1/99 revolution, and the synchronous minimum speed of the rotor is accordingly / a3 the frequency of the electric drive pulses.
In the drawing, the invention is illustrated schematically for example, namely: Fig. 1A is a longitudinal section of a simple motor according to the invention, Fig. 1B is an end view of the same with the end plate removed, Fig. 2 is an end view of a further embodiment of a motor according to the Invention, FIG. 3 shows a longitudinal section of a motor with a double rotor, FIG. 4A shows a longitudinal section of a motor not.
homopolar motor, Fig. 4B is an end view of the motor according to Fig. 4A with the end plate removed, Fig. 5A is a curve that illustrates the course of the magnetic pulses of such a motor when driven by an alternating current, Fig. 5B the use of combined alternating and Direct current, Fig. 6 shows an embodiment of the subject matter of the invention with subdivided stator poles, Fig. 7A shows a longitudinal section of a further embodiment, and Fig. 7B shows an end view of the same with the end plate removed.
In Fig. 1A and 1B a stator 1 made of magnetic material, such as iron, is provided with two end plates 2 and 3 in which the bearings for the rotor .5 are mounted. The rotor shaft 10 is enclosed by the stationary coil -4, which represents the common excitation winding for all poles, so that all poles are excited at the same time to maximum field strength. The stature 1 is provided with four poles a, b, c and d and the rotor 5 with three poles x, y and z. The motor is designed as a homopolar motor so that all poles of the stator have the same polarity and all poles of the rotor have opposite polarity.
When the rotor rotates clockwise at its lowest possible synchronous speed, a pole x of the rotor is opposite a pole a of the stator when an electrical pulse arrives. With the next pulse the pole z of the rotor will coincide with the pole d of the stator. Since the angular displacement of the poles of the stator is <B> 90 ', </B> that of the poles of the rotor 120', the angle through which the rotor has rotated in the period between the said pulses has a size of <B> 30 '. </B> As a result, 12 pulses are required for one rotation of the rotor.
When the motor rotates, fluctuations in the sum of the total engaged pole faces occur due to the small gaps which, in the position shown in FIG. 1B, between the adjacent edges of the poles <I> d </I> and z on the one hand and <I> b </I> and y on the other hand are present.
Basically, the synchronous minimum speed of a rotor with pi poles is <B> 0 </B> compared to a stature with p @ z poles
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where <B> 8. </B> is the minimum synchronous speed in revolutions per second, F is the number of pulses per second and 31 is the smallest common multiple of the numbers Pi and P2.
When each pulse arrives, a meeting between a stator and a rotor pole must take place. It can be seen that the speed Sm is the lowest speed at which this condition is met. However, there are also other synchronous speeds available that represent multiples of the speed Sm: the synchronous speed S is therefore generally given by the following formula:
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Herein, A is an integer that depends on the number of pole matches that are skipped between successive pulses. Hence, if a pulse arrives at each pole match, A = 1; if a match is skipped, A =; 2 etc.
It winds notes that where in the description the word "match" is used to denote the relationships between stator and rotor poles, it is not meant to literally mean exact match. If the rotor runs synchronously under load, an exact match will always take place a little after the impulses have arrived.
The pole arrangement according to Fig. 2 is suitable for speech machine drive with 50periodigem alternating current. The normal speed of rotation of records is about 78 per minute, and a 50periodiger alternating current gives 6000 pulses per minute. The synchronous minimum speed of the rotor is therefore
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that means revolutions
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per minute. As can be seen, so the device of FIG. 2 approximately the desired speed GE for a speaking machine without the use of translations result exaggerated.
If a normal Syn chronmotor were used with the same number of poles in the stator and rotor, about 154 poles would have to be used to achieve such a low speed without a change gear, while only 18 poles are required in the device according to FIG.
The arrangement according to FIG. 1 is such that the effective poles are located at 7, while at, 6 no pole is present. Another embodiment, however, as shown in Fig. 3, has poles at both ends of the rotor. In this embodiment, each end of the rotor is seen with three poles ver, but the two ends are offset by 60 to each other. The synchronous speed of the motor is exactly the same as in the device of FIG. 1. The second set of stator poles can coincide with the first set, or, if desired, also be offset at an angle to that.
In Fig. 4A and Fig. 4B a Ausfüh tion of a non-homopolar motor is illustrated, which, however, has the same synchronous speed as the motor of FIG. Each of the stator poles is provided with a separate excitation coil 4, and the individual coils are connected together such that opposite poles have opposite polarity. As a result, two poles of the stator will interact with two poles of the rotor for each pulse. The rotor can therefore be regarded as the equivalent of the rotor according to FIG.
At the next impulse the other two poles of the stator will work together with two other poles of the rotor. The coils 4 are all in the same circuit, so that they all excite the stator poles simultaneously to maximum field strength through the alternating current pulses.
The motors described are driven by magnetic pulses that are generated by the applied electrical pulses. In Fig. 5A, the strength of these magnetic pulses is shown with solid lines along a time axis. The alternating currents causing the magnetic pulses are given by the dashed lines. It can be seen from these curves that the frequency of the magnetic pulses is twice the frequency of the alternating current.
However, it is possible, please include, when using alternating current, to achieve frequency equality between the magnetic impulses and the alternating currents, in that the coil of the motor according to Fig. 1 is fed with alternating current: and direct current, as shown in Fig Figure 5B is illustrated.
There, the distance between lines 8 and 9 corresponds to the strength of the direct current and the sine line to the strength of both the electrical alternating currents and the magnetic pulses along a time axis. Under the specified conditions, the resulting magnetic impulses are always unidirectional; a smaller direct current value than that given by the distance between the lines 8 and 9 can also be used, but if the value is much smaller, the pulses begin to follow the course shown in FIG. 5A.
As can be seen, in the motors described, each pole of each exercises. Group at the synchronous minimum speed on each pole of the other group a maximum drive torque due to one or more of the electrical impulses during each rotation, and a reduced or negligible drive torque due to the other mentioned impulses when the motor is running at synchronous speed .
For example, in the motor according to FIG. 1B, the poles a and x act together with the exercise of a maximum torque when a pulse is imposed in the position of the rotor provided. The poles d and z on the one hand and b and y on the other hand exert reduced torques in opposite directions and the pole c a negligible torque.
After the rotor has turned 30, a second pulse is applied, so that a maximum torque then occurs between the poles d and z. There is a reduced torque in opposite directions between the poles a and <I> x </I> on the one hand and y and c on the other hand, as well as a negligible torque at pole b and so on. In this way, each stator pole exercises one revolution.
Maximum torque,. a reduced torque and a negligible torque three times, and the rotor poles cycle the same four times. As can be seen, the angle by which the rotor is rotated by successive pulses, at the lowest synchronous speed is smaller than the angular distance between neighboring poles, one of which belongs to one pole group and the other of the other pole group.
If the motor is to start by itself, auxiliary poles or an equivalent arrangement can be used. FIG. 6 shows the device according to FIG. 1 with subdivided stator poles. A self-short-circuited coil 1.1 is provided on each pole. Here, too, as can be seen from the drawing, the stator poles have the same pole arc as the rotor poles. It is not necessary for all the poles of the stator to be subdivided, since in many cases only one or two poles need to be provided in the specified manner in order to achieve a self-start. If a self-start is to be achieved, the rotor can be provided with a squirrel cage winding similar to the usual AC induction motors.
Another way to carry out the self-start is to use small intermediate poles, each of which is provided with a winding that was connected in series with a counter, a capacitance, or an inductance across the motor terminals. The impedance lying in series results in a known manner in a phase shift of the current in the winding of the intermediate pole.
Simple motors like those already described with only two groups together. As already stated, pole-acting poles Pi and P2 have a synchronous speed that is equal to the frequency of the pulses divided by the smallest common multiple M of Pi and P2. It should be noted that these speeds are exactly synchronous and depend on: the frequency of the impulses, but it is necessary to achieve a.
Synchronization required that the angle of the pole arc is chosen such that a change in the effective pole surfaces occurs when the rotor rotates with respect to the stator. For example, at. the Ausfüh approximately example according to Fig., 1, the pole arc 45 amount.
In the case of a motor with a four-pole rotor and an associated five-pole stator, however, the pole arc must not be 36, since in this case there is no change in the active pole face and, accordingly, no precise synchronization occurs; however, precise synchronization can be achieved by using a pole arc from '45. The pole arc of the stator must be the same as the pole arc of the rotor in order to achieve precise synchronization.
The simple motor according to FIG. 1 can be converted into a motor with an intermediate rotor according to FIGS. 7A and 7B, in which the three-pole rotor 5 cooperates with four poles of an intermediate rotor. The intermediate rotor is provided with a second group of five poles which interact with seven poles of the stator 1.
The mode of operation of the motor is as follows: From the above formula (2) you can see that the synchronous speed of the intermediate rotor with respect to the stator 1 can be expressed by
EMI0005.0005
The synchronous speeds of the rotor 5 with respect to the intermediate rotor 12 are similar by the formula
EMI0005.0007
given, where S1, A1 and M1 have the same meaning for the rotor-intermediate rotor system, as S, A and M for the intermediate rotor-stator system.
All synchronous speeds of the rotor 5 opposite .dem stator 1 are therefore
EMI0005.0009
The synchronous minimum speed of the rotor results when AM1 - A1 M = 1. There will always be some values of the integers A and A1 that produce a difference between A X M1 and Al X M, provided that M and M1 do not have a common factor. Where there is a common factor f at M and Ni, it will be the minimum synchronous speed
EMI0005.0011
In practice, it will generally be expedient to let the rotor run at its synchronous minimum speed with respect to the intermediate rotor, so that <B> Al </B> is generally equal to 1. In the embodiment of Fig.
7 A and 7B, M = ä X 4 and Ml = 5 X 7, so that there is a synchronous minimum speed of the rotor with respect to the stator of
EMI0005.0012
he gives. Therefore, if A1 = 1 and A = 3, there will be a match for each pulse. Rotor and intermediate rotor poles and three coincidences of the intermediate rotor and stator poles take place on each pulse.
If the motor is designed by arranging auxiliary poles or the like in such a way that the intermediate rotor rotates clockwise with respect to the stator and the rotor rotates counterclockwise with respect to the intermediate rotor, the (# eschwin- speed of the former
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and that of the latter
EMI0005.0020
his. In this case, therefore, the rotor is driven at a speed of
EMI0005.0023
rotate clockwise across from the stator.
The machine can be designed in such a way that the air gaps between the stator and the intermediate rotor on the one hand and between the intermediate rotor and the rotor on the other hand lie in series one behind the other in the magnetic circuit.
It is necessary to design the intermediate rotor with such a degree of inertia: that its kinetic energy when it rotates at the correct speed is of the order of magnitude of the torque of the motor. It is also necessary that the inertia of the rotor 5 and its load are such that the combined kinetic energies are also of the order of magnitude of the torque of the motor.
If the rotor has a sufficiently small inertia and the other conditions are such that when starting the rotor strives to rotate in the same direction with respect to the intermediate rotor as the intermediate rotor with respect to the stator, this results in a synchronous minimum speed of the rotor compared to the stator of
EMI0006.0000
If the number of poles of the motor according to FIG. 7 remain the same, but their order is changed, other speeds are generated.
If, for example, a seven-pole stator with four poles of the intermediate rotor and five poles of the intermediate rotor work together with three poles of the rotor, the speeds are completely different. When he intermediate rotor on. The self-start strives to rotate clockwise, and the rotor strives for the same reason to rotate counterclockwise, then the intermediate rotor receives a speed that is the same
EMI0006.0005
and the rotor has a speed that is the same
EMI0006.0006
is. In this case A is equal to 2, the rotor would therefore move clockwise with respect to the stator at a speed of
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rotate.
Another possible embodiment of the device according to FIG. 7 consists of a five-pole stator which cooperates with four poles of the intermediate rotor and seven poles of the intermediate rotor which cooperate with three poles of the rotor. If in this case the intermediate rotor rotates clockwise and the rotor counterclockwise due to their Anlaufanord voltages, for example the auxiliary poles, then the speed of the Zwiscbenrotar is
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and the speed of the rotor
EMI0006.0016
in .this case <B> A </B> = 1 and the rotor. speed compared to the. Stator in the same direction as clockwise.
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In addition to the ones described, numerous other motors with an intermediate rotor are also possible. In this way, with a suitable configuration, an extremely wide range of speeds can be achieved. As he can see, it is necessary to achieve the lowest possible synchronous speed with a relatively small number of poles, the arrangement so that the direction of rotation of the rotor is opposite to the intermediate rotor opposite to the direction of rotation of the intermediate rotor to the stator.
The machines described can also be used to generate electrical pulses or electrical alternating currents. If, for example, the coil of the motor according to FIG. 1 is fed with direct current and the rotor is driven, an alternating current is produced in the coil, which can be separated from the direct current component in any known manner. The coil 4 can also consist of two parts, one of which is fed with direct current, while the other is taken from the generated alternating current. Another possibility is to train the shaft 10 of the rotor or any other part of the magnetic circuit as a permanent magnet. The alternating current is then generated in the coil 4.
A permanent magnet can also be used in place of the DC component in an AC powered motor to achieve the effect shown in Fig. 5-B. The motors working with intermediate rotors can also be used as an alternating current generator by driving the rotor alone.
In this case, the self-starting means for the intermediate rotor are arranged in such a way that the intermediate rotor strives to rotate in a certain direction with respect to the rotor and in the same or opposite direction with respect to the stator; the appropriate speeds are selected in such a way that the desired frequency is generated.
Alternators of the type described are of particular value. For example, if a drive force was only available at low speed, it was previously necessary to use a generator with a large number of poles or transmission gears in order to achieve the desired frequency. Now a drive shaft that performs 200 revolutions per minute can be connected to generate 50-period alternating current with a rotor with five poles that runs in a stature with six poles, while 30 poles are required in the known arrangements.
The generators described are also suitable for generating high-frequency alternating currents, such as those required for experimental purposes and for wireless transmissions.
The machine can also be designed with several intermediate rotors.
In all the exemplary embodiments described, the number of poles of the two pole groups are unequal and none of them is a whole multiple of the others. Furthermore, in all embodiments, the coils, which excite the poles of the stator, rotor or both by electrical impulses, are connected in such a way that the maximum field strength is generated at the same time in the relevant poles, and the number of poles and pole arcs are selected so that when the Rotor versus stature fluctuations in the sum of the total engaged pole faces take place.